大型矩形盾構(gòu)近距離穿越管線(xiàn)影響研究

溫竹茵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，在地下管線(xiàn)密集區(qū)實(shí)施地下通道的需求不斷增加。在管線(xiàn)復(fù)雜、搬遷費(fèi)用高、實(shí)施影響大的地方采用非開(kāi)挖技術(shù)就顯得十分必要。大斷面矩形盾構(gòu)法隧道可以很好地滿(mǎn)足這種建設(shè)需求。相比傳統(tǒng)的圓形盾構(gòu)隧道，矩形盾構(gòu)隧道具有空間占用率低、埋深淺、環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)[1]，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。如何控制矩形盾構(gòu)隧道穿越過(guò)程中引起的環(huán)境變形是其中的關(guān)鍵問(wèn)題。

矩形盾構(gòu)法隧道施工案例主要集中在日本，日本在理論與實(shí)驗(yàn)方面持續(xù)對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道展開(kāi)研究[2]，其代表性的工程案例主要有:1999年，京都市交通局采用矩形盾構(gòu)完成了京都地鐵東西線(xiàn)區(qū)間隧道的施工，隧道內(nèi)凈空尺寸為8.9 m（寬）×5.5 m（高）[3];2012年，日本大林組在東京都3環(huán)線(xiàn)道路相?？v貫川尻隧道工程中，施工完成了內(nèi)凈空尺寸為11.0 m（寬）×7.08 m（高）的矩形盾構(gòu)法隧道[4]，將矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)水平提升到一個(gè)新的高度。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與施工技術(shù)的提高，有關(guān)大斷面矩形盾構(gòu)法隧道的研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。如賈連輝[5]對(duì)超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究，羅鑫[6]對(duì)不同矩形盾構(gòu)隧道管片的拼裝方法進(jìn)行了對(duì)比分析。

本文以虹橋臨空地區(qū)的10-3、11－3地塊地下連接通道工程為背景，對(duì)大斷面矩形盾構(gòu)下穿大型雨水管進(jìn)行了多方面分析，并對(duì)其變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，為今后此類(lèi)項(xiàng)目建設(shè)提供有益經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

上海臨空?qǐng)@區(qū)10-3、11-3地塊地下連接通道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“臨空通道”）位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)，下穿福泉北路，是連接?xùn)|側(cè)11-3地塊和西側(cè)10-3地塊的地下二層車(chē)庫(kù)之間的便捷通道。通道全長(zhǎng)52 m，兩側(cè)的地下二層車(chē)庫(kù)均已建成，僅預(yù)留了通道接口。福泉北路上有上水管、信息排管、雨水管、污水管、煤氣和電力排管等若干管線(xiàn)，其中管徑最大、距離通道最近的管線(xiàn)為一根管徑1.8 m的混凝土雨水管，埋深約3 m。為避免搬遷福泉北路上的管線(xiàn)和中斷交通，需要采用非開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行通道施工。同時(shí)，由于受到已建成地下車(chē)庫(kù)預(yù)留接口、雨水管埋深等限制，通道頂部標(biāo)高受限，因此通道采用了矩形盾構(gòu)隧道作為實(shí)施方案。這是國(guó)內(nèi)第一條矩形盾構(gòu)隧道，具有試驗(yàn)和示范作用。圖1、圖2分別為隧道平面位置和縱剖面圖。

2 矩形盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)方案與地質(zhì)條件

2.1 隧道設(shè)計(jì)方案

整個(gè)通道由2個(gè)盾構(gòu)工作井和30 m長(zhǎng)的矩形盾構(gòu)隧道組成。矩形盾構(gòu)隧道內(nèi)凈空尺寸為8.65 m× 3.85 m，管片厚度0.55 m，環(huán)寬1.0 m。隧道采用通縫拼裝，襯砌環(huán)由6塊管片組成，分別為F塊、L U塊、L D塊、D塊、R D塊、R U塊。管片塊與塊之間采用8根10.9級(jí)的環(huán)向螺栓連接，環(huán)與環(huán)之間采用28根8.8級(jí)的縱向螺栓連接。襯砌結(jié)構(gòu)的形式及尺寸如圖3所示。

圖1 隧道平面位置圖

圖2 隧道縱剖面圖

圖3 矩形隧道橫斷面圖（單位：mm）

矩形盾構(gòu)隧道采用復(fù)合管片，復(fù)合管片的頂部、底部、兩側(cè)均采用Q345鋼板，內(nèi)部充填混凝土，并在鋼箱體鋼板內(nèi)表面布置栓釘，以加強(qiáng)鋼板與混凝土之間的連接作用。復(fù)合管片鋼箱體如圖4所示。

圖4 復(fù)合管片斷面示意圖（單位：mm）

2.2 地質(zhì)條件

矩形盾構(gòu)隧道位于中等壓縮土層和高壓縮性土層中，地層從地面起分別為①1層雜填土、①2層素填土、②褐黃色層粉質(zhì)黏土、③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③2灰色層砂質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土。通道穿越的土層主要為③2層和④層土，雨水管位于②層和③1層中，土質(zhì)分布和物理參數(shù)詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 土層分布及參數(shù)表

3 管線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)分析

矩形盾構(gòu)穿越的管線(xiàn)中，雨水管的直徑最大，距離最近，因此主要對(duì)其進(jìn)行研究和監(jiān)測(cè)。雨水管的基本情況詳見(jiàn)表2，雨水管與盾構(gòu)之間的相互關(guān)系如圖5所示。

由于車(chē)行通道頂部與雨水管線(xiàn)距離很近，矩形盾構(gòu)施工必然會(huì)對(duì)雨水管線(xiàn)產(chǎn)生一定風(fēng)險(xiǎn)。主要風(fēng)險(xiǎn)包括以下兩個(gè)部分：

（1）擠土效應(yīng)產(chǎn)生的隨動(dòng)響應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)

在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)需要通過(guò)不斷調(diào)整刀盤(pán)切口壓力來(lái)維持開(kāi)挖面平衡，確保刀盤(pán)前方土體的穩(wěn)定。過(guò)大的切口壓力會(huì)對(duì)盾構(gòu)前方土體產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致地表隆起、土體向盾構(gòu)遠(yuǎn)離方向位移。此外，同步注漿壓力過(guò)大、盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整不佳也會(huì)對(duì)盾構(gòu)周邊土體產(chǎn)生一定擠壓作用。這些土體擠壓變形和位移都會(huì)造成管線(xiàn)發(fā)生隨動(dòng)變位，導(dǎo)致雨水管線(xiàn)接縫開(kāi)裂。

表2 雨水管情況表

圖5 矩形盾構(gòu)與雨水管關(guān)系圖（單位：mm）

（2）背土效應(yīng)產(chǎn)生的被動(dòng)響應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)

相比圓形盾構(gòu)，矩形盾構(gòu)更容易發(fā)生背土效應(yīng)。背土現(xiàn)象的發(fā)生，一方面使得緊貼盾構(gòu)殼體的土體發(fā)生盾構(gòu)開(kāi)挖方向的位移，導(dǎo)致土體發(fā)生剪切破壞，另一方面使得盾構(gòu)上方土體由于下方土體“抽走”而發(fā)生沉降現(xiàn)象。這對(duì)于雨水管線(xiàn)的位移控制會(huì)產(chǎn)生不利影響。

4 管線(xiàn)保護(hù)措施

4.1 施工措施

矩形盾構(gòu)機(jī)采用的是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，由于管道離盾構(gòu)外殼不足1 m，為避免盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)管道產(chǎn)生不利影響，在施工的不同階段都需要采取相應(yīng)措施，以保證雨水管的安全。

（1）施工前做好前期準(zhǔn)備工作，包括管線(xiàn)資料的進(jìn)一步調(diào)查、與管線(xiàn)單位的配合、技術(shù)交底、人員配置、施工參數(shù)優(yōu)化、機(jī)械設(shè)備維護(hù)及檢查、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置等措施。

（2）下穿雨水管前掘進(jìn)施工中，通過(guò)施工實(shí)踐不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制地表變形，減少對(duì)雨水管的影響，緊密依靠地表變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，不斷完善施工工藝，將施工后地表變形量控制在最小范圍內(nèi)。

（3）在下穿雨水管階段，通過(guò)嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面土壓力、推進(jìn)速度控制、改良土體、出土量控制等措施，減少盾構(gòu)糾偏量和糾偏次數(shù)，在穿越雨水管掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行同步注漿，嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，通過(guò)同步注漿及時(shí)充填建筑空隙，減少施工過(guò)程中的土體變形。同時(shí)，實(shí)施信息化施工，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)完善、優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，保證施工過(guò)程中雨水管的安全。

（4）盾構(gòu)在下穿雨水管之后，在盾尾脫離雨水管之后，在相應(yīng)位置通過(guò)管片注漿孔進(jìn)行雙液漿的壓注，使其在管片背后形成加固區(qū)域，有效地防止雨水管沉降，減少盾構(gòu)施工的后期沉降。

4.2 防背土技術(shù)

（1）減摩注漿系統(tǒng)

掘進(jìn)施工中，通過(guò)減摩注漿系統(tǒng)注入觸變泥漿，減少盾構(gòu)機(jī)、管節(jié)與土壤的磨阻力，使機(jī)體外殼及管節(jié)外殼形成完整的減摩漿液薄膜，有效地減少頂進(jìn)阻力，確保施工正常進(jìn)行。

（2）盾構(gòu)防背土裝置

在矩形盾構(gòu)上設(shè)置防背土裝置（見(jiàn)圖6），液壓防背土裝置采用液壓機(jī)構(gòu)將殼體上部土體做有效分割，減輕盾構(gòu)機(jī)因上表面大而平坦造成的背土。

圖6 防背土裝置

5 穿越影響分析

采用M idas GT S對(duì)該工程進(jìn)行模擬分析。盾構(gòu)隧道外包尺寸為 9.75 m×4.95 m，覆土6.0 m；雨水管D=1 800 mm，t=200 mm；雨水管與隧道頂部的凈間距為0.965 m。

模型計(jì)算寬度為70 m，即盾構(gòu)軸線(xiàn)向兩側(cè)延伸3倍左右開(kāi)挖寬度。計(jì)算深度取地表下40 m，軸線(xiàn)方向長(zhǎng)度40 m。土體采用4面體4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元；模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界，即模型底部限制水平和豎向位移，兩側(cè)限制水平位移。圖7為矩形盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)值模型。

圖7 矩形盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)值模型

通過(guò)模型可以得到盾構(gòu)下穿地下水管后土體隆沉及水管位移變化（見(jiàn)圖8、圖9）。根據(jù)模擬結(jié)果，雨水管的最大沉降值為4 mm，管節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角為6/16 280=1/2 713＜1/1 000，滿(mǎn)足管節(jié)的變形要求。

圖8 盾構(gòu)下穿地下水管后土體隆沉圖

圖9 雨水管垂直位移

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

6.1 雨水管變形監(jiān)測(cè)裝置及方法

在雨水管管線(xiàn)影響范圍外取大地坐標(biāo)（大地測(cè)量網(wǎng)）參考點(diǎn)，并引入到雨水管內(nèi)部豎井內(nèi)的固定鋼絲結(jié)構(gòu)(安裝梯)上，作為管線(xiàn)變形測(cè)試的基準(zhǔn)點(diǎn)，利用雨水管變形監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行地下管線(xiàn)的豎向與垂直于管線(xiàn)的橫向變形精確測(cè)量，再利用無(wú)線(xiàn)W i-F i實(shí)時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)給相關(guān)施工管理人員。

雨水管變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由定位鋼絲、變形監(jiān)測(cè)裝置、鋼絲固定裝置、數(shù)據(jù)線(xiàn)等組成。

變形監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)安裝有傾角測(cè)量傳感器、位移測(cè)量傳感器，以及吊掛鋼絲扣和伸縮觸腳等部件，實(shí)現(xiàn)地下管線(xiàn)的變形精確測(cè)量。

變形監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)還裝有：數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)綜合處理（計(jì)算）系統(tǒng)。

6.2 測(cè)點(diǎn)布置方案

雨水管變形監(jiān)測(cè)裝置，由1～5號(hào)測(cè)量裝置及測(cè)量裝置A、B、C共8套裝置組成。測(cè)量裝置信息見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量裝置信息

1～5號(hào)測(cè)量裝置能測(cè)量管線(xiàn)的沉降變形和側(cè)向變形。沉降變形“-”代表下沉，沉降變形“+”代表隆起；側(cè)向變形“+”代表向始發(fā)井方向（前）變形，側(cè)向變形“-”代表向接收井方向（后）變形。測(cè)量裝置A～C能測(cè)量管線(xiàn)的沉降變形，沉降變形“+”代表下沉，沉降變形“-”代表隆起。圖10為雨水管測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖10 雨水管測(cè)點(diǎn)布置圖

6.3 側(cè)向變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

雨水管變形測(cè)量裝置放在雨水管內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，被測(cè)量的雨水管為臨空地區(qū)雨水管主要管道，直徑為1.8 m，水流量較大。平常使用狀態(tài)下，水流動(dòng)對(duì)雨水管變形監(jiān)測(cè)基本無(wú)影響，在暴雨天氣下，雨水管上游會(huì)開(kāi)閘進(jìn)行放水，此時(shí)水流量巨大，水流對(duì)雨水管變形測(cè)量裝置沖擊力較大，引起裝置擺動(dòng)移動(dòng)，產(chǎn)生開(kāi)閘放水引起的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。

雨水管變形測(cè)量裝置能通過(guò)各裝置沿管線(xiàn)軸向方向的擺動(dòng)角來(lái)識(shí)別開(kāi)閘放水的時(shí)間段。平常水流狀態(tài)下，水流幾乎不會(huì)使雨水管變形測(cè)量裝置產(chǎn)生管線(xiàn)軸向方向的擺動(dòng)，如果各裝置沿管線(xiàn)軸向方向的擺動(dòng)角較大，則說(shuō)明此時(shí)刻上游管道開(kāi)閘放水了，此時(shí)的雨水管變形測(cè)量數(shù)據(jù)為誤差，應(yīng)該略去此影響。

在略去開(kāi)閘數(shù)據(jù)誤差的影響后，1號(hào)～5號(hào)測(cè)點(diǎn)的最終最大側(cè)向變形見(jiàn)表4。

管線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)最終的側(cè)向變形量如圖11所示。

表4 管道測(cè)點(diǎn)的最終側(cè)向變形

圖11 管線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)最終的側(cè)向變形

監(jiān)測(cè)時(shí)間從2015年9月6日開(kāi)始，2015年10月23日結(jié)束，從管線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間的側(cè)向變形見(jiàn)圖12?？梢钥闯觯S著盾構(gòu)掘進(jìn)，管線(xiàn)受到側(cè)向力的影響，呈現(xiàn)“8”字形的變形規(guī)律，并越發(fā)豐滿(mǎn)。

圖12 管線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)與規(guī)律

6.4 豎向變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

在略去開(kāi)閘數(shù)據(jù)誤差的影響后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向變形量見(jiàn)表5，說(shuō)明盾構(gòu)掘進(jìn)施工先引起了管線(xiàn)先沉降再隆起，變形幅值較小，最大沉降變形為-1.5 mm，最大隆起變形為2 mm。

表5 管線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)豎向變形值

管線(xiàn)測(cè)量裝置1～5及裝置B、C各測(cè)點(diǎn)的沉降都具有相同的變化規(guī)律：都是先沉降再隆起，幅值都比較小，沉降和隆起都不超過(guò)5 mm。不同的是裝置A位置處，即管井口位置處，只發(fā)生單調(diào)遞減的沉降變形，幅值依然較小，不超過(guò)5 mm，這是由于管井口有混凝土承臺(tái)的影響。

7 結(jié)論

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看到，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和施工，超大矩形盾構(gòu)近距離穿越管線(xiàn)是切實(shí)可行的，穿越對(duì)管線(xiàn)所產(chǎn)生的影響是能夠滿(mǎn)足其變形要求的，在實(shí)施中采取的一系列措施是積極有效的。

（1）矩形盾構(gòu)作為一種新型的非開(kāi)挖技術(shù)，在覆土淺、管線(xiàn)距離近等環(huán)境下，具有較好的適應(yīng)性。

（2）矩形盾構(gòu)施工過(guò)程中，背土效應(yīng)對(duì)環(huán)境影響較大，因此必須在設(shè)備中設(shè)置相應(yīng)的防背土措施，以減少對(duì)環(huán)境影響。

（3）在管線(xiàn)距離較近的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，管道的沉降和隆起量均較小，與理論計(jì)算比較符合。

（4）在管線(xiàn)距離較近的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，管線(xiàn)受到側(cè)向力的影響較大，側(cè)向呈現(xiàn)“8”字形的變形規(guī)律，在今后類(lèi)似項(xiàng)目中應(yīng)充分考慮側(cè)向變形的影響。

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